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中科微星新蟲 (小有名氣)
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在超快激光加工應(yīng)用里，空間光調(diào)制器還有這么多種玩法
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超快激光加工技術(shù)推動(dòng)了激光制造從傳統(tǒng)的宏加工向超精密加工發(fā)展。盡管憑借著強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，超快激光加工技術(shù)成為3C電子等領(lǐng)域中的新寵，但單焦點(diǎn)的超快激光直寫加工技術(shù)仍然存在加工區(qū)域小、效率低的問題，不能同時(shí)滿足大幅面和高精度加工需求。 空間光調(diào)制器的出現(xiàn)使得上述問題在很大程度上得以解決，空間光調(diào)制器可以對(duì)超快激光光束的振幅、相位或者偏振等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，配合一定光路設(shè)計(jì)就可以在材料加工區(qū)域得到任意的光場(chǎng)強(qiáng)度分布。下文將對(duì)空間光調(diào)制器的原理以及其在超快激光2D、3D加工領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 什么是空間光調(diào)制器？ 空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號(hào)的控制下改變?nèi)肷涔庹穹⑵褚约跋辔坏膭?dòng)態(tài)元器件,有著易操控、易集成、低損耗、刷新頻率高的特點(diǎn)。在超快激光并行加工應(yīng)用中，常見的空間光調(diào)制器有調(diào)整振幅的數(shù)字微鏡器件(DMD)以及調(diào)制相位的液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)。 1）DMD DMD是一種被廣泛使用的對(duì)入射光的振幅進(jìn)行調(diào)制的空間光調(diào)制器，其每個(gè)像素都是一個(gè)可以獨(dú)立控制的微反射鏡，通過切換每個(gè)微反射鏡的方向可以單像素控制出射光的角度。DMD 具有切換速度快、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。目前DMD的工作波長(zhǎng)范圍已經(jīng)涵蓋紫外、可見光以及紅外波段。 2）LC-SLM LC-SLM的每一個(gè)像素單元由液晶分子構(gòu)成。液晶因?yàn)槠潆p折射的特性而廣泛應(yīng)用于空間光調(diào)制器。如今，已經(jīng)有大量適用于可見光和近紅外波段的液晶空間光調(diào)制器。根據(jù)液晶種類可分為鐵電型和向列型兩種，根據(jù)使用方式可分為反射式和透射式兩種。 全息圖的計(jì)算方法 全息圖是通過空間光調(diào)制器加載到入射激光上的相位分布圖，通過加載不同的全息圖，可以生成多光束陣列、二維面光場(chǎng)強(qiáng)度分布、三維體光場(chǎng)強(qiáng)度分布等，從而滿足不同的應(yīng)用需要，由此探索出了多種全息圖計(jì)算方法。 1）二維光場(chǎng)全息圖生成算法 通過全息圖技術(shù)可以在焦點(diǎn)處產(chǎn)生所需的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布。此類算法有多種，其中較為經(jīng)典的是GS (Gerchberg Saxton)算法，后續(xù)的很多算法都是由GS算法演變而來。 工業(yè)上比較常用的全息圖迭代算法算法有：一種是在GS算法的基礎(chǔ)上衍生的楊顧算法，另一種是ORA(Optimal Rotation Angle)算法。 此外，使用矢量德拜衍射理論也可以計(jì)算得到全息圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同矢量方向的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的調(diào)制。另一種能在保證一定全息圖質(zhì)量的同時(shí)提高生成效率的非迭代的全息圖算法，后來也被廣泛應(yīng)用。 2） 三維光場(chǎng)全息圖生成算法 由于三維光場(chǎng)全息圖生成算法能夠進(jìn)一步提升效率，加工出更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)掃描加工無法實(shí)現(xiàn)的一次成型結(jié)構(gòu)，因此有著廣泛的應(yīng)用需求。 計(jì)算三維光場(chǎng)所需全息圖時(shí)可以分為兩個(gè)過程：一個(gè)是快速傅里葉變換；另一個(gè)是菲涅耳衍射過程。為了改善三維GS算法得到的全息圖質(zhì)量不佳，且計(jì)算速度較慢的問題，斯威本科技大學(xué)顧敏課題組實(shí)現(xiàn)了三維多焦點(diǎn)陣列全息圖的計(jì)算。 除了GS算法及其變種，一種非凸優(yōu)化的全息圖算法———NOVO-CGH( Non-Convex Optimizationfor Volumetric Computer-Generated Holography)算法也被提出，可用于三維光場(chǎng)的全息圖計(jì)算。該方法比GS算法得到的結(jié)果更好，準(zhǔn)確度提高近20%，效率提高近5%。此外，NOVO-CGH算法的一大優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)實(shí)際情況的不同，設(shè)計(jì)不同的成本函數(shù)，以滿足不同的應(yīng)用需求。 3）基于深度學(xué)習(xí)的全息圖生成算法 近年來，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)生成用于空間傳播的全息圖算法得到了實(shí)現(xiàn)，可以很有效地解決全息圖生成速度慢的問題。入射光經(jīng)過空間光調(diào)制器的相位調(diào)制后傳播一定距離之后，可得到目標(biāo)光場(chǎng)的強(qiáng)度分布，其基本原理如圖2所示。目前這種方法得到的全息圖只適用于二維的空間傳播光場(chǎng)生成，還不能運(yùn)用于聚焦光場(chǎng)的全息圖計(jì)算。 計(jì)算全息圖的算法有多種，除了上述算法外還有 MRAF(Mixed Region Amplitude Freedom)算法、RM(Random Mask)算法等，每個(gè)算法有著自己的優(yōu)勢(shì)和不足,不同激光加工應(yīng)用場(chǎng)景需要選擇最合適的算法或者對(duì)已有算法進(jìn)行改進(jìn)。 空間光調(diào)制器+光場(chǎng)調(diào)控=玩轉(zhuǎn)超快激光加工應(yīng)用 空間光調(diào)制器可以方便、快捷地對(duì)激光光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，因此在超快激光加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模臻g光調(diào)制器有著不同的使用方法，光路系統(tǒng)也不局限于脈沖時(shí)域整形技術(shù)即4f系統(tǒng)。 1）像差校正 像差的存在會(huì)使得聚焦光場(chǎng)的強(qiáng)度分布和目標(biāo)光場(chǎng)強(qiáng)度分布產(chǎn)生偏差，影響加工時(shí)光場(chǎng)的三維分布，降低加工精度，提高加工閾值，甚至無法加工出目標(biāo)結(jié)構(gòu)。通過全息圖,結(jié)合空間光調(diào)制器的相位調(diào)制功能可以快速、便捷地對(duì)像差進(jìn)行校正，提升超快激光加工的精度和質(zhì)量。 例如,利用像差校正技術(shù)，可以在金剛石和熔融石英內(nèi)部加工出三維螺旋點(diǎn)陣列的結(jié)構(gòu)，如圖3。此外，在多維度光存儲(chǔ)、超快激光寫入光波導(dǎo)等應(yīng)用中，可以利用空間光調(diào)制器對(duì)像差進(jìn)行校正。除了對(duì)單個(gè)界面進(jìn)行像差校正，還可以利用空間光調(diào)制器對(duì)多個(gè)折射層的像差進(jìn)行校正，如超快激光透過石英玻璃對(duì)LBGO玻璃進(jìn)行無像差加工。 2）多焦點(diǎn)并行加工 在樣品的不同二維或三維位置進(jìn)行多焦點(diǎn)并行加工，可以成倍地提升加工效率，但其制備較為復(fù)雜，且使用不靈活。空間光調(diào)制器可以很好地解決這些問題，利用全息圖技術(shù)對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)制，可以快速地生成各種目標(biāo)光場(chǎng)以進(jìn)行多焦點(diǎn)加工，并且通過切換全息圖來實(shí)時(shí)調(diào)制目標(biāo)光場(chǎng)，進(jìn)行二維、三維結(jié)構(gòu)的快速加工。 基于4f系統(tǒng)，搭建一套利用空間光調(diào)制器、全息圖可變的并行加工系統(tǒng)，如上圖4，這套系統(tǒng)是基于空間光調(diào)制器的超快激光并行加工應(yīng)用中最常見的光路。通過此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用超快激光在玻璃表面快速打印不同字母點(diǎn)陣（如圖5），還可加工出彎曲、非對(duì)稱的二維結(jié)構(gòu)以及不同形狀的三維結(jié)構(gòu)。 多焦點(diǎn)的雙光子聚合技術(shù)還可用于人體組織工程支架、微針陣列、細(xì)胞培養(yǎng)基等功能性生物、醫(yī)療微器件的制備，大幅提升了加工效率、精度。超快激光多焦點(diǎn)并行加工技術(shù)也可用于提升多維度光存儲(chǔ)的寫入速度（如圖6），以及對(duì)硅和不銹鋼等材料進(jìn)行并行加工。 除了使用多焦點(diǎn)并行加工，還可以通過對(duì)激光的波前進(jìn)行調(diào)制，將聚焦光束調(diào)制成目標(biāo)圖案直接進(jìn)行加工。例如，用兩個(gè)空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)圖案的平行加工，第一個(gè)空間光調(diào)制器可通過對(duì)振幅進(jìn)行調(diào)制，得到需要加工的形狀；第二個(gè)空間光調(diào)制器則是用來生成多光束以進(jìn)行超快激光并行加工，實(shí)現(xiàn)二維圖案的陣列打印。 3）聚焦體積內(nèi)三維光場(chǎng)調(diào)制 對(duì)于三維結(jié)構(gòu)，可以運(yùn)用三維光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，使用楊顧算法并在迭代過程中加入強(qiáng)度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)加工。 4）脈沖時(shí)空整形 空間光調(diào)制器可以用于時(shí)空同步聚焦系統(tǒng)。使用這套系統(tǒng)可以擺脫傳統(tǒng)時(shí)空聚焦系統(tǒng)軸向位置單一的約束，使得時(shí)空同步聚焦技術(shù)的使用更加方便靈活；還可克服相鄰焦點(diǎn)間的互相干擾問題，降低點(diǎn)間距，實(shí)現(xiàn)超快激光的四維(空間三維和時(shí)域維度)并行加工。 另外，結(jié)合DMD的高刷新頻率可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的快速3D打印，通過單次聚焦即可在毫秒時(shí)間量級(jí)內(nèi)制造出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)超快激光直寫掃描系統(tǒng)難以加工得到的。 除此之外，還可對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)域整形。利用4f系統(tǒng)可以對(duì)超快激光脈沖進(jìn)行調(diào)制，形成特定脈沖形狀的超快激光，對(duì)不同形狀的脈沖進(jìn)行編碼和解碼，可以運(yùn)用于光通信領(lǐng)域。 使用空間光調(diào)制器可以方便快捷地產(chǎn)生特殊相位、偏振的結(jié)構(gòu)光場(chǎng),其在超快激光加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。使用空間光調(diào)制器產(chǎn)生帶有軌道角動(dòng)量的渦旋光束、多種矢量光束和一些有特殊性質(zhì)的光場(chǎng)以及高階矢量光場(chǎng)、不同偏振矢量的多光斑陣列（圖9），進(jìn)一步豐富了超快激光并行加工技術(shù)的使用場(chǎng)景。 利用結(jié)構(gòu)光場(chǎng)特殊的性質(zhì)可以加工出一些普通光場(chǎng)難以加工出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如再聚合物中并行加工出開口環(huán)結(jié)構(gòu)陣列、一次成型加工出復(fù)雜的三維微管結(jié)構(gòu)、制備三維手性微結(jié)構(gòu)等。 利用空間光調(diào)制器還可以生成貝塞爾光束和馬蒂厄光束，通過切換不同的全息圖可以快速改變加工光束的類型，通過縱向掃描的方式對(duì)聚合物進(jìn)行加工，得到三維微籠結(jié)構(gòu)，用于捕獲微小的物體。 結(jié) 語 空間光調(diào)制器為超快激光加工帶來了極大的便利，通過不同的全息圖算法可以得到不同的二維、三維目標(biāo)光場(chǎng)，從而快速、高精度地加工得到所需結(jié)構(gòu)。利用空間光調(diào)制器進(jìn)行多焦點(diǎn)陣列的并行加工極大地提升了加工效率，更可貴的是該技術(shù)可以同多種光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，如像差校正、時(shí)空同步聚焦、結(jié)構(gòu)光場(chǎng)等，實(shí)現(xiàn)多種特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的超快激光并行加工。 空間光調(diào)制器的使用方式靈活多變，還有很多潛在的應(yīng)用場(chǎng)景有待挖掘。然而利用空間光調(diào)制器進(jìn)行超快激光加工受到了空間光調(diào)制器本身，如刷新頻率、分辨率、相位灰階數(shù)、像素個(gè)數(shù)、填充因子等參數(shù)的限制，并且全息圖的計(jì)算速度以及生成光場(chǎng)的質(zhì)量仍有提升的空間。 向列型液晶空間光調(diào)制器擁有較多的相位調(diào)制灰階、較高的分辨率，可以生成復(fù)雜的相位全息圖，引入水冷模塊后可以承受高功率的飛秒激光照射，但是刷新頻率較低阻礙了其在工業(yè)上的應(yīng)用。 而基于MEMS的DMD有著更高的刷新頻率，在工業(yè)中應(yīng)用更為廣泛，如何將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高刷新頻率、高閾值的空間光調(diào)制器用于超快激光加工是一個(gè)有待解決的問題。 2k55-p.png |
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